Abstract Objective: Preterm infants are exposed to multiple painful procedures in the neonatal intensive care unit (NICU) during a period of rapid brain development. Our aim was to examine relationships between procedural pain in the NICU and early brain development in very preterm infants. Methods: Infants born very preterm (N = 86; 24–32 weeks gestational age) were followed prospectively from birth, and studied with magnetic resonance imaging, 3‐dimensional magnetic resonance spectroscopic imaging, and diffusion tensor imaging: scan 1 early in life (median, 32.1 weeks) and scan 2 at term‐equivalent age (median, 40 weeks). We calculated N‐acetylaspartate to choline ratios (NAA/choline), lactate to choline ratios, average diffusivity, and white matter fractional anisotropy (FA) from up to 7 white and 4 subcortical gray matter regions of interest. Procedural pain was quantified as the number of skin‐breaking events from birth to term or scan 2. Data were analyzed using generalized estimating equation modeling adjusting for clinical confounders such as illness severity, morphine exposure, brain injury, and surgery. Results: After comprehensively adjusting for multiple clinical factors, greater neonatal procedural pain was associated with reduced white matter FA (β = −0.0002, p = 0.028) and reduced subcortical gray matter NAA/choline (β = −0.0006, p = 0.004). Reduced FA was predicted by early pain (before scan 1), whereas lower NAA/choline was predicted by pain exposure throughout the neonatal course, suggesting a primary and early effect on subcortical structures with secondary white matter changes. Interpretation: Early procedural pain in very preterm infants may contribute to impaired brain development. ANN NEUROL 2012;

Background Altered brain development is evident in children born very preterm (24–32 weeks gestational age), including reduction in gray and white matter volumes, and thinner cortex, from infancy to adolescence compared to term-born peers. However, many questions remain regarding the etiology. Infants born very preterm are exposed to repeated procedural pain-related stress during a period of very rapid brain development. In this vulnerable population, we have previously found that neonatal pain-related stress is associated with atypical brain development from birth to term-equivalent age. Our present aim was to evaluate whether neonatal pain-related stress (adjusted for clinical confounders of prematurity) is associated with altered cortical thickness in very preterm children at school age. Methods 42 right-handed children born very preterm (24–32 weeks gestational age) followed longitudinally from birth underwent 3-D T1 MRI neuroimaging at mean age 7.9 yrs. Children with severe brain injury and major motor/sensory/cognitive impairment were excluded. Regional cortical thickness was calculated using custom developed software utilizing FreeSurfer segmentation data. The association between neonatal pain-related stress (defined as the number of skin-breaking procedures) accounting for clinical confounders (gestational age, illness severity, infection, mechanical ventilation, surgeries, and morphine exposure), was examined in relation to cortical thickness using constrained principal component analysis followed by generalized linear modeling. Results After correcting for multiple comparisons and adjusting for neonatal clinical factors, greater neonatal pain-related stress was associated with significantly thinner cortex in 21/66 cerebral regions (p-values ranged from 0.00001 to 0.014), predominately in the frontal and parietal lobes. Conclusions In very preterm children without major sensory, motor or cognitive impairments, neonatal pain-related stress appears to be associated with thinner cortex in multiple regions at school age, independent of other neonatal risk factors.

Very preterm infants (born 24-32 weeks' gestation) undergo numerous invasive procedures during neonatal care. Repeated skin-breaking procedures in rodents cause neuronal cell death, and in human preterm neonates higher numbers of invasive procedures from birth to term-equivalent age are associated with abnormal brain development, even after controlling for other clinical risk factors. It is unknown whether higher numbers of invasive procedures are associated with long-term alterations in brain microstructure and cognitive outcome at school age in children born very preterm.Fifty children born very preterm underwent MRI and cognitive testing at median age 7.6 years (interquartile range, 7.5-7.7). T1- and T2-weighted images were assessed for the severity of brain injury. Magnetic resonance diffusion tensor sequences were used to measure fractional anisotropy (FA), an index of white matter (WM) maturation, from 7 anatomically defined WM regions. Child cognition was assessed using the Wechsler Intelligence Scale for Children-IV. Multivariate modeling was used to examine relationships between invasive procedures, brain microstructure, and cognition, adjusting for clinical confounders (eg, infection, ventilation, brain injury).Greater numbers of invasive procedures were associated with lower FA values of the WM at age 7 years (P = .01). The interaction between the number of procedures and FA was associated with IQ (P = .02), such that greater numbers of invasive procedures and lower FA of the superior WM were related to lower IQ.Invasive procedures during neonatal care contribute to long-term abnormalities in WM microstructure and lower IQ.

Objective:

 To determine the relationship between radiologically identifiable brain injuries and delayed brain development as reflected by brain metabolic and microstructural integrity. 

Methods:

 Term newborns with congenital heart disease (CHD) (120 preoperatively and 104 postoperatively) were studied with MRI to determine brain injury severity (BIS), microstructure reflected by fractional anisotropy (FA) and average diffusivity (D_av), and metabolism reflected by N-acetylaspartate (NAA)/choline (Cho) and lactate/Cho. Brain development is characterized by increasing NAA/Cho and white matter FA, and by decreasing D_av and lactate/Cho. 

Results:

 Newly acquired brain injury was common (41% preoperative, 30% postoperative). Lower white matter FA (p = 0.005) and lower NAA/Cho (p = 0.01) were associated with increasing preoperative BIS. Higher neonatal illness severity scores (p = 0.03), lower preoperative oxygen saturation (p = 0.002), hypotension (p < 0.001), and septostomy (p = 0.002) were also predictive of higher preoperative BIS. Preoperative FA, D_av, and NAA/Cho did not predict new postoperative BIS. Increasing preoperative BIS predicted higher postoperative D_av (p = 0.002) and lactate/Cho (p = 0.008). Within the postoperative scan, new brain injuries were associated with lower white matter FA (p = 0.04). Postoperative BIS (new lesions) was associated with lower postoperative systolic (p = 0.03) and mean (p = 0.05) blood pressures. 

Conclusions:

 Brain injuries in newborns with CHD are strongly related to abnormalities of brain microstructural and metabolic brain development, especially preoperatively. Both newly acquired preoperative and postoperative brain injuries are related to potentially modifiable clinical risk factors.

Objective:

 Our objective was to determine the association of early brain maturation with neurodevelopmental outcome in premature neonates. 

Methods:

 Neonates born between 24 and 32 weeks’ gestation (April 2006 to August 2010) were prospectively studied with MRI early in life and again at term-equivalent age. Using diffusion tensor imaging and magnetic resonance spectroscopic imaging, fractional anisotropy (FA) (microstructure) and N-acetylaspartate (NAA)/choline (metabolism) were measured from the basal nuclei, white matter tracts, and superior white matter. Brain maturation is characterized by increasing FA and NAA/choline from early in life to term-equivalent age. In premature neonates, systemic illness and critical care therapies have been linked to abnormalities of these measures. Of the 177 neonates in this cohort, 5 died and 157 (91% of survivors) were assessed at 18 months’ corrected age (adjusted for prematurity) using the Bayley Scales of Infant and Toddler Development III motor, cognitive, and language composite scores (mean = 100, SD = 15). 

Results:

 Among these 157 infants, white matter injury was seen in 48 (30%). Severe white matter injury, in 10 neonates (6%), was associated with a decrease in motor (−18 points; p < 0.001) and cognitive (−8 points; p = 0.085) scores. With greater severity of adverse neurodevelopmental outcomes, slower increases in FA and NAA/choline were observed in the basal nuclei and brain white matter regions as neonates matured to term-equivalent age, independent of the presence of white matter injury. 

Conclusions:

 In the preterm neonate, abnormal brain maturation evolves through the period of neonatal intensive care and is associated with adverse neurodevelopmental outcomes.